L'usinage de précision est un procédé permettant d'enlever de la matière d'une pièce tout en obtenant des finitions de haute précision. Il existe de nombreux types de machines de précision, notamment le fraisage, le tournage et l'usinage par électroérosion. De nos jours, une machine de précision est généralement pilotée par une commande numérique par ordinateur (CNC).
Presque tous les produits métalliques, ainsi que de nombreux autres matériaux comme le plastique et le bois, sont usinés avec précision. Ces machines sont actionnées par des machinistes spécialisés et qualifiés. Pour que l'outil de coupe puisse effectuer sa tâche, il doit être déplacé dans des directions précises afin de réaliser la coupe correcte. Ce mouvement principal est appelé « vitesse de coupe ». La pièce à usiner peut également être déplacée ; il s'agit du mouvement secondaire d'« avance ». Ensemble, ces mouvements et le tranchant de l'outil de coupe permettent à la machine de précision de fonctionner.
L'usinage de précision exige le respect scrupuleux de plans extrêmement précis, élaborés à l'aide de logiciels de CAO (conception assistée par ordinateur) ou de FAO (fabrication assistée par ordinateur) tels qu'AutoCAD et TurboCAD. Ces logiciels permettent de générer les schémas ou contours tridimensionnels complexes nécessaires à la fabrication d'un outil, d'une machine ou d'un objet. Le respect scrupuleux de ces plans est essentiel pour garantir l'intégrité du produit. Si la plupart des entreprises d'usinage de précision utilisent des logiciels de CAO/FAO, elles ont encore souvent recours à des croquis réalisés à la main lors des phases initiales de la conception.
L'usinage de précision est utilisé sur de nombreux matériaux, notamment l'acier, le bronze, le graphite, le verre et les plastiques. Selon l'envergure du projet et les matériaux employés, différents outils d'usinage de précision sont utilisés. Il est possible d'utiliser une combinaison de tours, de fraiseuses, de perceuses à colonne, de scies et de rectifieuses, voire des robots à grande vitesse. L'industrie aérospatiale peut recourir à l'usinage à grande vitesse, tandis que l'industrie de la fabrication d'outils pour le travail du bois peut utiliser des procédés de gravure photochimique et de fraisage. La production en série, ou la fabrication d'une quantité spécifique d'un article particulier, peut se chiffrer en milliers, ou se limiter à quelques unités. L'usinage de précision nécessite souvent la programmation de machines à commande numérique (CNC). Ces machines permettent de garantir des dimensions exactes tout au long de la production.
Le fraisage est un procédé d'usinage qui consiste à enlever de la matière d'une pièce à l'aide d'outils de coupe rotatifs, en faisant avancer l'outil dans la pièce selon une direction précise. L'outil peut également être incliné par rapport à son axe. Le fraisage englobe une grande variété d'opérations et de machines, allant de la fabrication de petites pièces individuelles aux opérations de fraisage en série de grande envergure. C'est l'un des procédés les plus couramment utilisés pour l'usinage de pièces sur mesure avec une grande précision.
Le fraisage peut être réalisé avec une large gamme de machines-outils. La première machine-outil utilisée pour le fraisage était la fraiseuse (souvent appelée « fraiseuse »). Avec l'avènement de la commande numérique par ordinateur (CNC), les fraiseuses ont évolué pour devenir des centres d'usinage : des fraiseuses équipées de changeurs d'outils automatiques, de magasins d'outils ou de carrousels, d'une commande numérique, de systèmes de refroidissement et d'enceintes de contrôle. Les centres d'usinage sont généralement classés en centres d'usinage verticaux (CMV) et centres d'usinage horizontaux (CHU).
L'intégration du fraisage dans les environnements de tournage, et inversement, a débuté avec l'utilisation d'outils motorisés pour les tours et l'emploi occasionnel de fraiseuses pour les opérations de tournage. Ceci a conduit à une nouvelle catégorie de machines-outils, les machines multitâches (MMT), conçues spécifiquement pour faciliter le fraisage et le tournage au sein d'un même espace de travail.
Pour les ingénieurs concepteurs, les équipes de R&D et les fabricants qui dépendent de l'approvisionnement en pièces, l'usinage CNC de précision permet de créer des pièces complexes sans traitement supplémentaire. En effet, l'usinage CNC de précision permet souvent de fabriquer des pièces finies sur une seule machine.
Le procédé d'usinage enlève de la matière et utilise une large gamme d'outils de coupe pour créer la pièce finale, souvent très complexe. La précision est accrue grâce à la commande numérique par ordinateur (CNC), qui automatise le pilotage des machines-outils.
Le rôle de la commande numérique (CNC) dans l'usinage de précision
Grâce à des instructions de programmation codées, l'usinage CNC de précision permet de découper et de façonner une pièce selon des spécifications précises sans intervention manuelle d'un opérateur de machine.
À partir d'un modèle de conception assistée par ordinateur (CAO) fourni par un client, un machiniste expert utilise un logiciel de fabrication assistée par ordinateur (FAO) pour créer les instructions d'usinage de la pièce. À partir du modèle CAO, le logiciel détermine les trajectoires d'outil nécessaires et génère le code de programmation qui indique à la machine :
■ Quels sont les régimes de rotation et les vitesses d'avance corrects ?
■ Quand et où déplacer l'outil et/ou la pièce à usiner
■ Quelle profondeur de coupe
■ Quand appliquer le liquide de refroidissement
■ Tout autre facteur lié à la vitesse, au débit d'alimentation et à la coordination
Un contrôleur CNC utilise ensuite le code de programmation pour contrôler, automatiser et surveiller les mouvements de la machine.
Aujourd'hui, la commande numérique (CNC) est intégrée à une vaste gamme d'équipements, des tours, fraiseuses et routeurs aux machines d'électroérosion à fil (EDM), de découpe laser et plasma. Outre l'automatisation du processus d'usinage et l'amélioration de la précision, la CNC élimine les tâches manuelles et permet aux opérateurs de superviser plusieurs machines fonctionnant simultanément.
De plus, une fois la trajectoire d'outil conçue et la machine programmée, celle-ci peut usiner une pièce un nombre illimité de fois. Ceci garantit une précision et une répétabilité élevées, ce qui rend le processus très rentable et facilement industrialisable.
Matériaux usinés
Parmi les métaux couramment usinés figurent l'aluminium, le laiton, le bronze, le cuivre, l'acier, le titane et le zinc. On peut également usiner le bois, la mousse, la fibre de verre et certains plastiques comme le polypropylène.
En réalité, presque tous les matériaux peuvent être utilisés avec l'usinage CNC de précision — bien sûr, en fonction de l'application et de ses exigences.
Quelques avantages de l'usinage CNC de précision
Pour de nombreuses petites pièces et composants utilisés dans une vaste gamme de produits manufacturés, l'usinage CNC de précision est souvent la méthode de fabrication privilégiée.
Comme pour la quasi-totalité des méthodes de coupe et d'usinage, le comportement des différents matériaux varie, et la taille et la forme d'une pièce ont également une incidence importante sur le processus. Toutefois, de manière générale, l'usinage CNC de précision présente des avantages par rapport aux autres méthodes d'usinage.
En effet, l'usinage CNC est capable de fournir :
■ Un degré élevé de complexité des pièces
■ Tolérances serrées, généralement comprises entre ±0,0002" (±0,00508 mm) et ±0,0005" (±0,0127 mm)
■ Finitions de surface exceptionnellement lisses, y compris les finitions personnalisées
■ Répétabilité, même à des volumes élevés
Alors qu'un machiniste qualifié peut utiliser un tour manuel pour fabriquer une pièce de qualité en quantités de 10 ou 100, que se passe-t-il lorsque vous avez besoin de 1 000 pièces ? 10 000 pièces ? 100 000 ou un million de pièces ?
L'usinage CNC de précision permet d'atteindre l'évolutivité et la vitesse nécessaires à la production en grande série. De plus, sa grande répétabilité garantit des pièces parfaitement identiques du début à la fin, quelle que soit la quantité produite.
Il existe des méthodes d'usinage CNC très spécialisées, comme l'électroérosion à fil (EDM), la fabrication additive et l'impression laser 3D. Par exemple, l'électroérosion à fil utilise des matériaux conducteurs (généralement des métaux) et des décharges électriques pour usiner une pièce et lui donner des formes complexes.
Nous nous concentrerons ici sur les procédés de fraisage et de tournage, deux méthodes soustractives largement disponibles et fréquemment utilisées pour l'usinage CNC de précision.
Fraisage vs tournage
Le fraisage est un procédé d'usinage qui utilise un outil de coupe cylindrique rotatif pour enlever de la matière et créer des formes. Les équipements de fraisage, appelés fraiseuses ou centres d'usinage, permettent de réaliser une grande variété de géométries complexes sur des pièces métalliques de très grande taille.
Une caractéristique importante du fraisage est que la pièce reste immobile tandis que l'outil de coupe tourne. Autrement dit, sur une fraiseuse, l'outil de coupe rotatif se déplace autour de la pièce, qui demeure fixée sur un banc.
Le tournage est l'opération d'usinage d'une pièce sur un équipement appelé tour. Généralement, le tour fait tourner la pièce autour d'un axe vertical ou horizontal tandis qu'un outil de coupe fixe (qui peut être en rotation ou non) se déplace le long de l'axe programmé.
L'outil ne peut pas physiquement contourner la pièce. La matière tourne, permettant à l'outil d'exécuter les opérations programmées. (Il existe cependant une catégorie de tours où les outils tournent autour d'un fil alimenté par une bobine, mais ce cas n'est pas abordé ici.)
En tournage, contrairement au fraisage, la pièce à usiner tourne. La pièce brute tourne sur la broche du tour et l'outil de coupe entre en contact avec elle.
Usinage manuel vs usinage CNC
Bien que les fraiseuses et les tours soient disponibles en modèles manuels, les machines CNC sont plus appropriées pour la fabrication de petites pièces, offrant une évolutivité et une répétabilité pour les applications nécessitant une production en grande série de pièces à tolérances serrées.
Outre les machines à deux axes simples où l'outil se déplace selon les axes X et Z, les équipements CNC de précision comprennent des modèles multi-axes permettant également le déplacement de la pièce. Ceci contraste avec un tour où la pièce est limitée à la rotation et où les outils se déplacent pour créer la géométrie souhaitée.
Ces configurations multi-axes permettent de réaliser des géométries plus complexes en une seule opération, sans intervention supplémentaire de l'opérateur. Cela facilite non seulement la production de pièces complexes, mais réduit également, voire élimine, les risques d'erreur humaine.
De plus, l'utilisation d'un liquide de refroidissement haute pression avec un usinage CNC de précision garantit que les copeaux ne pénètrent pas dans les pièces, même lors de l'utilisation d'une machine avec une broche orientée verticalement.
fraiseuses CNC
Les différentes fraiseuses varient en taille, configuration des axes, vitesses d'avance, vitesse de coupe, sens d'avance et autres caractéristiques.
Cependant, en général, toutes les fraiseuses CNC utilisent une broche rotative pour enlever la matière superflue. Elles servent à usiner des métaux durs comme l'acier et le titane, mais peuvent également être utilisées avec des matériaux comme le plastique et l'aluminium.
Les fraiseuses CNC sont conçues pour une grande répétabilité et peuvent être utilisées pour toutes les applications, du prototypage à la production en grande série. Les fraiseuses CNC de haute précision sont souvent utilisées pour des travaux de haute précision, comme le fraisage de matrices et de moules de précision.
Bien que le fraisage CNC permette des délais de production rapides, la finition brute de fraisage produit des pièces présentant des marques d'outil visibles. Elle peut également générer des pièces avec des arêtes vives et des bavures ; des traitements supplémentaires peuvent donc être nécessaires si ces défauts sont inacceptables.
Bien entendu, les outils d'ébavurage programmés dans la séquence ébavureront, mais n'atteindront généralement que 90 % des exigences de finition au maximum, laissant certaines caractéristiques à la finition manuelle finale.
En ce qui concerne la finition de surface, il existe des outils qui permettent d'obtenir non seulement une finition acceptable, mais aussi une finition miroir sur certaines parties du produit.
Types de fraiseuses CNC
Les deux principaux types de fraiseuses sont les centres d'usinage verticaux et les centres d'usinage horizontaux, la principale différence résidant dans l'orientation de la broche de la machine.
Un centre d'usinage vertical est une fraiseuse dont l'axe de broche est aligné selon l'axe Z. Ces machines verticales peuvent être divisées en deux types :
■ Fraiseuses à banc fixe, dans lesquelles la broche se déplace parallèlement à son propre axe tandis que la table se déplace perpendiculairement à l'axe de la broche
■ Fraiseuses à tourelle, dans lesquelles la broche est fixe et la table se déplace de manière à être toujours perpendiculaire et parallèle à l'axe de la broche pendant l'opération de coupe
Dans un centre d'usinage horizontal, l'axe de broche de la fraiseuse est aligné selon l'axe Y. De par leur conception horizontale, ces fraiseuses occupent généralement plus d'espace dans l'atelier ; elles sont aussi généralement plus lourdes et plus puissantes que les machines verticales.
On utilise souvent une fraiseuse horizontale lorsqu'une meilleure finition de surface est requise ; en effet, l'orientation de la broche permet aux copeaux de se détacher naturellement et d'être facilement évacués. (De plus, une évacuation efficace des copeaux contribue à prolonger la durée de vie de l'outil.)
De manière générale, les centres d'usinage verticaux sont plus répandus car ils peuvent être aussi puissants que les centres d'usinage horizontaux et usiner des pièces de très petite taille. De plus, leur encombrement est réduit.
Fraiseuses CNC multi-axes
Les centres d'usinage CNC de précision sont disponibles avec plusieurs axes. Une fraiseuse 3 axes utilise les axes X, Y et Z pour une grande variété d'opérations. Avec une fraiseuse 4 axes, la machine peut pivoter sur un axe vertical et horizontal et déplacer la pièce à usiner, permettant ainsi un usinage plus continu.
Une fraiseuse 5 axes possède trois axes traditionnels et deux axes rotatifs supplémentaires, permettant la rotation de la pièce à usiner pendant que la broche se déplace autour d'elle. Ceci permet d'usiner les cinq faces d'une pièce sans la démonter ni réinitialiser la machine.
Tours CNC
Un tour, également appelé centre de tournage, possède une ou plusieurs broches et deux axes (X et Z). Cette machine permet de faire tourner une pièce sur son axe afin d'effectuer diverses opérations de coupe et de façonnage, en utilisant une large gamme d'outils.
Les tours à commande numérique (CNC), également appelés tours à outils motorisés, sont idéaux pour la fabrication de pièces cylindriques ou sphériques symétriques. À l'instar des fraiseuses CNC, les tours CNC peuvent réaliser des opérations de petite taille telles que le prototypage, mais peuvent également être configurés pour une haute répétabilité, permettant ainsi une production en grande série.
Les tours CNC peuvent également être configurés pour une production relativement autonome, ce qui explique leur utilisation répandue dans les secteurs de l'automobile, de l'électronique, de l'aérospatiale, de la robotique et des dispositifs médicaux.
Comment fonctionne un tour CNC
Sur un tour à commande numérique (CNC), une barre brute de matériau est placée dans le mandrin de la broche. Ce mandrin maintient la pièce en place pendant la rotation de la broche. Lorsque la broche atteint la vitesse requise, un outil de coupe stationnaire entre en contact avec la pièce pour enlever de la matière et obtenir la géométrie souhaitée.
Un tour à commande numérique (CNC) peut réaliser de nombreuses opérations, telles que le perçage, le filetage, l'alésage, le réalésage, le dressage et le tournage conique. Le changement d'outil est nécessaire pour chaque opération, ce qui peut augmenter les coûts et le temps de réglage.
Une fois toutes les opérations d'usinage nécessaires terminées, la pièce est détachée de la matière première pour un traitement ultérieur, le cas échéant. Le tour à commande numérique est alors prêt à répéter l'opération, généralement sans ou avec très peu de temps de réglage supplémentaire.
Les tours CNC peuvent également accueillir divers alimentateurs de barres automatiques, ce qui réduit la manutention manuelle des matières premières et offre des avantages tels que les suivants :
■ Réduire le temps et les efforts requis de l'opérateur de la machine
■ Supporter la barre pour réduire les vibrations susceptibles d'affecter négativement la précision
■ Permettre à la machine-outil de fonctionner à des vitesses de broche optimales
■ Minimiser les temps de changement de format
■ Réduire le gaspillage de matériaux
Types de tours CNC
Il existe différents types de tours, mais les plus courants sont les tours CNC à 2 axes et les tours automatiques de type chinois.
La plupart des tours CNC chinois utilisent une ou deux broches principales et une ou deux broches secondaires, la rotation étant assurée par un système de transfert. La broche principale effectue l'usinage principal, guidée par une douille.
De plus, certains tours de style chinois sont équipés d'une deuxième tête d'outil qui fonctionne comme une fraiseuse CNC.
Sur un tour automatique CNC de type chinois, la matière première est acheminée par une broche à tête coulissante jusqu'à une douille de guidage. Ceci permet à l'outil d'usiner la matière au plus près de son point d'appui, rendant la machine chinoise particulièrement avantageuse pour les pièces tournées longues et fines ainsi que pour le micro-usinage.
Les centres de tournage CNC multiaxes et les tours de type chinois permettent de réaliser de multiples opérations d'usinage avec une seule machine. Ils constituent ainsi une solution économique pour les géométries complexes qui, avec des équipements tels qu'une fraiseuse CNC traditionnelle, nécessiteraient plusieurs machines ou des changements d'outils.